Jak jsou mechanická práce a teplo vzájemně zaměnitelné

V tomto článku se budeme zabývat konceptem mechanické ekvivalence tepla, který říká, že mechanickou práci a teplo lze převádět jeden na druhého. Také se naučíme o experimentech a objevech, které vedly k tomuto názoru, a jak pomohly k založení vědy termodynamiky.

Co je mechanická ekvivalence tepla?

Mechanická ekvivalence tepla je termín, který popisuje vztah mezi mechanickou prací a teplem.

Definuje se jako množství práce potřebné k vyprodukovaní jednotkového množství tepla v systému. Symbol pro mechanickou ekvivalenci tepla je J, a je známá také jako Jouleova konstanta nebo Jouleova mechanická ekvivalence tepla po vědci, který ji poprvé změřil.

Vzorec pro mechanickou ekvivalenci tepla je:

kde W je práce provedená na systému, a Q je vygenerované teplo v systému.

Jednotka pro mechanickou ekvivalenci tepla je džoul na kalorii (J/cal), což znamená, že jeden džoul práce produkuje jednu kalorii tepla. Jedna kalorie je množství tepla potřebné k zvýšení teploty jednoho gramu vody o jeden stupeň Celsia.

Jak byla objevena mechanická ekvivalence tepla?

Nápad, že mechanická práce a teplo jsou vzájemně zaměnitelné, byl poprvé navržen Benjaminem Thompsonem, známým také jako hrabě Rumford, v roce 1798. Pozoroval, že velké množství tepla bylo generováno třením při opravě dělových hlavní v arzenálu v Mnichově. Závěrem přišel s tím, že teplo není látkou, jak se původně myslelo, ale formou pohybu.

Nicméně, Rumford nezadal numerickou hodnotu pro mechanickou ekvivalenci tepla, ani neprovedl kontrolovaný experiment k jejímu měření. Jeho pozorování byla vyzývána stoupenci teorie kalorika, která tvrdila, že teplo je tekutina, která proudí od horkých do chladných těles.

První, kdo provedl přesný experiment k určení mechanické ekvivalence tepla, byl James Prescott Joule, anglický fyzik a pivovar. V roce 1845 publikoval článek s názvem „Mechanická ekvivalence tepla“, ve kterém popsal své zařízení a metodu.

Joule použil měděný kalorimetrický přístroj plněný vodou a mechanismus s pádlem připojený k padajícím závažím.

Když závaží padala, otáčely pádlo, které míchalo vodu uvnitř kalorimetru. Kinetická energie závaží a pádla byla převedena na tepelnou energii vody. Joule změřil teplotní nárůst vody a vypočítal množství práce provedené závažími. Experiment opakoval několikrát s různými závažími a výškami a našel konzistentní hodnotu pro J: 778,24 stopa-kilogram-síla na stupeň Fahrenheita (4,1550 J/cal).

Jouleův experiment dokázal, že práce a teplo jsou ekvivalentní a zachovány,

což znamená, že nelze je vytvořit ani zničit, ale pouze transformovat z jedné formy na druhou. Byl to velký průlom v rozvoji termodynamiky, která studuje energii a její transformace.

Jaké jsou některé aplikace mechanické ekvivalence tepla?

Koncept mechanické ekvivalence tepla má mnoho aplikací ve vědě a inženýrství. Například:

• Vysvětluje, jak motory fungují převodem chemické energie paliva na mechanickou energii v pohybu.

• Pomáhá nám vypočítat efektivitu strojů a procesů porovnáním vstupní práce a výstupního tepla.

• Umožňuje nám navrhovat zařízení, která mohou převádět odpadní teplo na užitečnou práci, jako jsou termoelektrické generátory.

• Umožňuje nám pochopit, jak živé organismy využívají metabolickou energii k provádění různých funkcí.

Mechanická ekvivalence tepla je také spojena s dalšími důležitými koncepty v termodynamice, jako jsou entropie, specifická tepelná kapacita, skrytá teplo a tepelná expanze.

Závěr

V tomto článku jsme se naučili o mechanické ekvivalenci tepla,

což je množství práce potřebné k vyprodukovaní jednotkového množství tepla v systému. Také jsme viděli, jak tento koncept byl objeven Rumfordem a Joulem prostřednictvím experimentů s třením a mícháním vody. Nakonec jsme diskutovali o některých aplikacích a implikacích tohoto konceptu ve vědě a inženýrství.

Prohlášení: Respektujte původ, dobaře články jsou hodné sdílení, pokud je zde nějaké porušení autorských práv, prosím, kontaktujte nás pro jejich odebrání.